二氧化鈾溶於強酸，硝酸可將其氧化成硝酸鈾酰[UO2(NO3)2]。UO2是壹種離子型螢石晶體，呈堿性。
鈾-氧系統的熱力學穩定態之壹。立方晶系，面心立方結構(螢石型，空間群Fm3m)，a=547pm。在100℃時，熱導率為0.09 W/cm℃。在室溫下，能與鹽酸、硫酸、硝酸緩慢反應，易溶於硝酸，生成亮黃色UO2(NO3)2溶液。不溶於水和堿，溶於含過氧化氫的堿或碳酸鹽溶液，生成過鈾酸鹽。室溫下在空氣中穩定。加熱到200℃和500℃時被氧化成UO3，加熱到500℃時被氧化成U3O8。它是壹種常用於輕水反應堆、重水反應堆和快中子增殖反應堆的鈾燃料。它是壹種穩定的陶瓷燃料。在鈾技術中，二氧化鈾是幹法生產四氟化鈾的重要中間產品和原料。它可以通過氫還原三氧化鈾或八氧化鈾，或通過直接煆燒和還原碳酸鈾酰銨(NH4)4[UO2(CO3)3]來制備。它是動力堆中廣泛使用的核燃料，也是幹法制備四氟化鈾的重要原料。